천문학 - 달의 기원에 대해

소개글

천문학 - 달의 기원에 대해에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

기를 포함한 휘발성 물질을 모두 제거하고 맨틀의 구성성분들만 따로 모아서 달이라는 천체를 만들어 놓은 듯한 상태인 것이죠.

이러한 달의 두가지 특이한 성질, 즉 비정삭적으로 작은 핵의 크기와 극히 적은 휘발성 물질의 함량은 대충돌 이론 말고는 사실상 설명이 불가능합니다.

원시지구에 충돌을 일으킨 천체는 대략 화성만한 크기를 가지고 있었습니다.
이정도 크기까지 성장한 천체에서는 당연히 중력에 의한 물질의 분리가 진행되어 그 내부에 철과 니켈이 주성분인 핵이 만들어 졌습니다.
이것은 원시 지구의 경우도 마찬가지 입니다.
반면에지각과 맨틀은 이들 금속성분의 함량이상당히 감소되었 있으며, 충돌의 결과 우주공간으로 흩어진 파편은 주로지구와 지구에 충돌한 천체의 맨틀을 이루던 물질들 이었기 때문에 그들이 모여 달이 만들어졌을 경우 달이정상적인크기의 핵을 갖지 못할정도로 철과 니켈이 결핍되어 있는 것은 당연할 것입니다.

한면 대충돌의 결과 그 파편들은 모두 상당한 고온에 노출되며, 휘발성물질은 모두 기체가 되어 우주공간으로 날아가 버렸을 것입니다.
그때문에 남아있는 고체파편들의 휘발성물질의 함량은상당히 낮아지게 됩니다.

물론 지구표면 역시 충돌에 의해서 고온으로 가열되지만 지구표면의 휘발성성분을 모두 우주공간으로 날아가게 할만큼 고온은 아닐뿐더러 충돌에 의해서 흩어진 파편들의 대부분은 다시 지구로 떨어지게 되기때문에 지구는 충돌이후에도 바다를 형성할수 있을 만큼의 수증기를 보유하는것이 가능했습니다.

이렇듯 달의 기원을 설명하는 이론들중에서 대충돌 가설이 부각되고 충돌이 이루어지는 과정에 대한 좀더 심도있는 연구가 진행되기 시작한 것은 비교적 최근의 일이라 할수 있습니다.

아래는 이러한충돌과정을 컴퓨터를 통해서 시뮬레이션 해본 것입니다.


우선 접근하는 두 천체는 서로의 기조력에 의해서 변형이 진행되어 충돌이이루어지기 전부터 부분적으로 가열되기 시작합니다. (a~d)

충돌이 이루어짐에 따라 엄청난 열과 압력이 발생합니다. (e~f)

충돌이 비스듬한 방향으로 이루어졌기 때문에 다량의 파편이 튀어나가기 시작하며, 지구의 자전축이 크게 변함과 동시에 자전속도도 상당히 빨라지게 됩니다.

위는 이 거대한 충돌장면을 그린 상상도 입니다.

6천5백만년전에 지구에 충돌하여 공룡을 멸종시킨 소행성을 작은 무당벌레 만한 크기라고 한다면지구에 충돌하고 있는 저 행성의크기는 소형자동차 정도의 크기라고볼수 있습니다.


지구 주위로 흩어진 파편들의 중력상호작용은 긴나선형의구조를 만들어 내기도 하는데, 이러한 구조는 파편들중 지구에 가까운쪽은 에너지를 잃어 지구쪽으로 떨어뜨리는한편 반대로 그들중 일부를 로슈의 한계 바깥쪽까지 운반하는 작용을 하게 됩니다.


지구에서 로슈의 한계보다 더 멀리 떨어진 곳의 파편들은 서로 모여 달의 씨앗을 형성하기 시작하며, 그보다 안쪽의 파편들은 응축되지 못하고 거대한 원반형구조를 형성하게됩니다.

이 원반형 구조내에선 밀도가 충분히 낮아질때까지 이러한 에너지교환이 계속 일어나게됩니다.

그후에 남겨진 파편들은 오랜기간에 걸쳐 대부분 지구로 떨어지게 되죠.



위는 또다른 시뮬레이션으로 지구에 충돌한 행성의 핵이 충돌에 의해크게 변형되면서 우주로 날아간후 다시 지구로 떨어지는 것을 알수 있습니다.

아래의 그래프는 충돌후 만들어진 파편들의 온도분포를 나타낸 것입니다.

y축은 온도를 나타내며, 단위는 켈빈(K)입니다.

x축은 지구 중심으로 부터의 거리를 나타내며, 단위는 지구의 반지름 입니다.

붉은 색은 지구에 충돌한 행성의 핵을 구성하던 철입자들을 나타내며 검은색은 주로 맨틀을 구성하던 규산염질 입자들입니다.

충돌후 산산히 부서진 그 행성의 핵은 부분적으로4만켈빈 이상의 온도로 가열되는 것을 알수 있습니다.

핵의 파편들중 큰 덩어리를 이룬것은 높은 밀도로 인해 지구에 충돌하자마자 마로 지구의 중심을 향해서 가라앉기 시작합니다.

지구 주위의 우주공간으로 날아간 파편들역시 3천켈빈이상의 온도로 가열되어 있기 때문에 그들이 가진 휘발성 성분은 거의 대부분 우주로 증발해 버리게 됩니다.

아래쪽 그래프의 지구중심으로부터 5.7과 8 정도되는 지점에 약간의 파편들이 모여있는 곳이 나타나는데 이것이 나중에 달로 성장하게 되는 달의 씨앗입니다.

아래는 시뮬레이션 결과를 바탕으로 만든 형성초기의 달과 충돌후 남겨진 파편의 원반의 모습을 그린 일러스트레이션 입니다.


충돌직후 만들어진 달은 지구로부터 불과 4만킬로미터 정도밖에 되지 않는 가까운 거리를 돌고 있었기 때문에지구에서 달을 본다면현재의 열배나되는 크기로 보였을 것입니다.

이토록 가까운 거리를 두고 궤도를 돌고 있었기 때문에 달과 지구는 상당히 활발하게 기조력에 의한 에너지 교환을 하게됩니다.

출돌의 여파로 그당시지구의 자전주기는 5시간정도에 불과 했을 정도로 가속되었으며, 그때문에 공전주기가 25~30시간 정도였던 달은 지구의 자전으로 부터 각운동량과 에너지를 얻어 궤도반지름을 서서히 증가시켜나가게 됩니다.
반대로 에너지를 잃은 지구의 자전주기는 서서히 느려지게 됩니다.

또한 달의 자전 역시이러한 각운동량및 에너지 교환을 하기 때문에 달의 자전주기와 공전주기는 정확히 일치하게 됩니다.
이러한 에너지 교환과정은 수억년후 지구에 바다가 만들어지면서 훨씬 효율적으로 진행됩니다. 바다가 처음 형성되었을 당시 지구표면에 작용하는 달의 중력은 현재의 거의 100배에 육박해서그당시에 발생하는 밀물과 썰물은 마치 거대한 해일과도 같았을 것입니다. 이러한 지구의 자전과 달의 에너지 교환은 아주 느리긴 하지만 지금도 계속 일어나고 있습니다. 물론 그 결과로 밀물과 썰물이 발생하는 것이죠. 지금은 너무나도 고요해보이는 달이지만 그 기원만큼은 태양계에서 가장 역동적인 천체가 아닌가 합니다.



References
Simulations of a late lunar-forming impact - Robin M. Canup, April 2004
http://en.wikipedia.org/wiki/Moon
천문학계가 주목하는 75은하 68항성 - 한국뉴턴

키워드

달의 기원,   분리설,   포획설,   충돌설